חומרים קוונטיים עשויים לפתוח חלון חדש בחיפוש אחר חומר אפל קל

חוקרים מהאוניברסיטה העברית ועמיתיהם זיהו בחישובים שלושה חומרים שהעירורים האלקטרוניים בהם עשויים להגביר מאוד אותות חלשים של חומר אפל קל. המחקר מציע בסיס לדור עתידי של גלאים, אך גלאים כאלה עדיין לא נבנו והחומר האפל עצמו לא התגלה

אחת הבעיות המרכזיות בחיפוש אחר חומר אפל היא שאיננו יודעים מה בדיוק לחפש. מן ההשפעה הכבידתית שלו על גלקסיות ועל המבנה הגדול של היקום עולה שחומר אפל מהווה את רוב החומר ביקום, אבל עד היום לא התגלה חלקיק חומר אפל באופן ישיר. במשך שנים התמקד חלק ניכר מהחיפושים בחלקיקים כבדים יחסית, ואילו בשנים האחרונות התרחב החיפוש גם למועמדים קלים בהרבה.

מחקר חדש בהשתתפות חוקרים מהאוניברסיטה העברית מציע להשתמש בשלושה חומרים בעלי תכונות קוונטיות מיוחדות כדי לחפש חומר אפל קל במיוחד. לפי החישובים, העירורים האלקטרוניים בחומרים האלה עשויים להגביר את התגובה להעברות האנרגיה הזעירות הצפויות כאשר חלקיק חומר אפל קל מקיים אינטראקציה עם אלקטרונים בחומר.

המחקר, שפורסם ב־Physical Review Letters, נערך בידי פרופ' יונית הוכברג ורותם עובדיה ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית, ד"ר דינו נובקו מהמכון לפיזיקה בזאגרב ופרופ' אנטוניו פוליטאנו מאוניברסיטת ל'אקווילה באיטליה.

חשוב להדגיש: החוקרים לא גילו חומר אפל, ואף לא הפעילו עדיין גלאי הבנוי מן החומרים שהם מציעים. העבודה היא מחקר תיאורטי וחישובי הבוחן אילו חומרים עשויים להיות יעילים במיוחד אם ישמשו בעתיד לבניית גלאים.

לחפש אנרגיות זעירות

חומר אפל אינו פולט, בולע או מחזיר אור באופן המאפשר לנו לצפות בו ישירות. הראיות העיקריות לקיומו מגיעות מהשפעת הכבידה שלו, בין היתר על תנועת כוכבים בגלקסיות ועל התפתחות המבנה הקוסמי.

אחת הדרכים לנסות לגלות את החלקיקים המרכיבים אותו היא לחפש את האנרגיה שהם עשויים להעביר לחומר רגיל בעת התנגשות או בליעה. כאשר מדובר בחלקיקי חומר אפל קלים מאוד, כמות האנרגיה המועברת עלולה להיות קטנה מכדי שגלאים רגילים יוכלו למדוד אותה.

כאן נכנסות לתמונה תכונותיו של חומר הגלאי עצמו.

החוקרים בחנו שלושה חומרים: טיטניום דיסלניד (TiSe₂), סטרונציום רותנאט (Sr₂RuO₄) ויהלום שעבר אילוח היוצר בו "חורים" – מצבים המתנהגים כנושאי מטען חיובי.

המשותף לשלושתם הוא קיומם של עירורים קולקטיביים של האלקטרונים באנרגיות נמוכות, המכונים פלזמונים. במקום שכל אלקטרון יגיב בנפרד, אלקטרונים רבים בחומר יכולים להשתתף בתנודה קולקטיבית. במצבים המתאימים, תנודות כאלה עשויות להפוך הפקדה זעירה של אנרגיה לאות שניתן יהיה למדוד.

לכל חומר מנגנון אחר

שלושת החומרים אינם עושים זאת באותה צורה.

בטיטניום דיסלניד מופיע פלזמון באנרגיה נמוכה הקשור למצב המכונה גל צפיפות מטען. בסטרונציום רותנאט קיימת תנודה קולקטיבית אקוסטית מיוחדת של האלקטרונים, וביהלום המאולח ניתן לשלוט בתדירויות של פלזמונים אופטיים ואקוסטיים באמצעות מידת האילוח.

החוקרים השתמשו בחישובי עקרונות ראשונים המבוססים על מכניקת הקוונטים ועל תורת פונקציונל הצפיפות כדי לחשב כיצד החומרים יגיבו להעברת אנרגיה ותנע מחלקיקי חומר אפל אפשריים.

התוצאות מצביעות על כך שהפלזמונים באנרגיות הנמוכות יכולים להגדיל מאוד את תחום הרגישות האפשרי של גלאים לחומר אפל שמסתו נמוכה ממגה־אלקטרון־וולט.

במקרים מסוימים, לפי החישובים, גלאים המבוססים על החומרים האלה עשויים להגיע לרגישות גבוהה בכמה סדרי גודל מזו של חומרי גלאי שהוצעו עד כה. אין פירוש הדבר שהשיפור כבר הושג בניסוי: הוא תלוי ביכולת לבנות גלאים מתאימים, לשלוט ברעשי הרקע ולמדוד בפועל את העירורים הזעירים שהחישובים חוזים.

גם הכיוון יכול לספק חתימה

יתרון נוסף הוא התגובה הכיוונית של חלק מהחומרים. הגביש אינו בהכרח מגיב באותה עוצמה להעברת תנע מכל כיוון.

לתכונה הזאת עשויה להיות חשיבות רבה בחיפוש אחר חומר אפל. מערכת השמש נעה בתוך ההילה המשוערת של החומר האפל המקיפה את שביל החלב, ולכן מבחינת גלאי על כדור הארץ אמור להתקבל מעין "רוח" מועדפת של חלקיקי חומר אפל.

כדור הארץ מסתובב, ולכן כיוון הגביש ביחס לרוח המשוערת משתנה לאורך היממה. אם קצב האירועים בגלאי ישתנה בהתאם למחזור יומי צפוי, הדבר עשוי לסייע להבחין בין אות שמקורו בחומר אפל לבין רעש או רקע סביבתי.

זוהי אחת הסיבות לכך שחומרים בעלי מבנה אלקטרוני אנאיזוטרופי – כלומר כזה שתכונותיו תלויות בכיוון – מעניינים במיוחד את החוקרים.

מהחישוב אל המעבדה

היתרון המעשי של שלושת החומרים שנבחרו הוא שאין מדובר בחומרים היפותטיים. הם מוכרים בפיזיקה של חומר מעובה וניתן לייצר אותם בטכנולוגיות קיימות. החוקרים מציינים במיוחד את הטיטניום דיסלניד כמועמד המתאים לייצור בקנה מידה שניתן יהיה לשלב בגלאים עתידיים.

עם זאת, הדרך ממאמר תיאורטי לגלאי עובד אינה קצרה. יהיה צורך לייצר דגימות מתאימות, לחבר אותן למערכות מדידה בעלות סף אנרגיה נמוך במיוחד, להבין את מקורות הרעש ולבדוק אם ההתנהגות בתנאי ניסוי תואמת את התחזיות.

המחקר גם אינו טוען ששלושת החומרים שנבדקו הם האפשרויות היחידות. להפך: התוצאות מציעות לחפש באופן שיטתי חומרים קוונטיים נוספים שבהם קיימים עירורים קולקטיביים באנרגיה נמוכה.

במובן זה, המחקר מחבר שני תחומים שבמשך שנים התפתחו במידה רבה בנפרד – פיזיקת החלקיקים והחיפוש אחר חומר אפל מצד אחד, ופיזיקת החומר המעובה וחקר חומרים קוונטיים מצד אחר.

עבור פרופ' הוכברג זהו המשך לקו מחקר שבו היא עוסקת כבר שנים: הרחבת החיפוש אחר חומר אפל לטווחי מסה שהגלאים המסורתיים מתקשים להגיע אליהם, בין היתר באמצעות מוליכי־על, ננו־חוטים וחומרים בעלי תגובה אלקטרונית יוצאת דופן.

האם החוקרים גילו חומר אפל?

לא. המחקר מציע חומרים שעשויים לשמש בגלאים עתידיים לחומר אפל קל. התוצאות מבוססות על חישובים קוונטיים, ולא על גילוי ניסויי של חלקיקי חומר אפל.

מדוע קשה במיוחד לגלות חומר אפל קל?

ככל שמסת החלקיק קטנה יותר, האנרגיה שהוא יכול להעביר לחומר בגלאי עשויה להיות קטנה מאוד. לכן נדרשים חומרים ומכשירים הרגישים להפקדות אנרגיה זעירות.

מה תפקיד הפלזמונים?

פלזמונים הם תנודות קולקטיביות של אלקטרונים בחומר. בחומרים שנבדקו קיימים מצבים כאלה באנרגיות נמוכות, והם עשויים ליצור תגובה חזקה יחסית להעברת האנרגיה הזעירה הצפויה מאינטראקציה עם חומר אפל קל.

כיצד סיבוב כדור הארץ עשוי לסייע?

בחומרים בעלי תגובה כיוונית, הרגישות עשויה להשתנות בהתאם לכיוון שממנו מגיעים החלקיקים. סיבוב כדור הארץ משנה במהלך היממה את כיוון הגביש ביחס ל"רוח" החומר האפל המשוערת, ולכן אות אמיתי עשוי להראות מחזוריות יומית אופיינית.

מקור מדעי: Hochberg, Y., Novko, D., Ovadia, R. & Politano, A., “Unconventional Materials for Light Dark Matter Detection”, Physical Review Letters 137, 101802 (2026). DOI: https://doi.org/10.1103/jdw6-3556

עוד בנושא באתר הידען: